| 词条 | 迈克耳孙干涉仪 |
| 释义 | § 简介 利用干涉条纹精确测量长度或长度改变的仪器。它是A.A.迈克耳孙在1881年设计成功的。迈克耳孙和他的合作者应用此种干涉仪不仅进行了测以太风的著名实验，而且还用它研究光谱的精细结构，并第一次以光的波长为基准对标准米尺进行了测定。后人又根据此种干涉仪的基本原理研制出各种具有实用价值的干涉仪。所以说，迈克耳孙干涉仪在近代物理和近代计量技术的发展上起过并还在起着重要的作用。 迈克耳孙干涉仪的结构如图1所示。D和C是两块平行放置的平行平面玻璃板，它们的折射率和厚度都完全相同。D 的背面镀有半反射膜，称作分光板。C称补偿板。M1和M2是两块平面反射镜,它们装在与D成45°角的彼此互相垂直的两臂上。M2 固定不动，M1可沿臂轴方向前后平移。 迈克耳孙干涉仪 由扩展光源发出的光，经分光板分成两部分，它们分别近于垂直地入射在平面反射镜M1和M2上。经M1反射的光回到分光板后一部分透过分光板沿E的方向传播,而经 M2反射的光回到分光板后则是一部分被反射在E方向。由于两者是相干的,在E处可用肉眼观察到或用照相物镜拍摄到相干条纹。 从光学上看，光自M1和M2上的反射就相当于自距离为d的M1和上的反射(图1)，其中是平面镜M2为分光板所成的虚像。因此,迈克耳孙干涉仪所生的干涉与厚度为 d的、没有多次反射的空气平行平面板所生的干涉完全一样。 显然,若光在平面反射镜M1或M2上的入射角用i表示，则两部分光的位相差为 式中 λ为光的波长，φ为光在半反射膜上的内、外反射时所引起的位相变化之差。φ的数值与半反射膜特性有关。 迈克耳孙干涉仪 当M2与M1严格垂直，即与M1严格平行时，所得干涉为等倾干涉。干涉条纹为位于无限远或透镜的焦平面上明暗相间的同心圆环（图2）。第k级亮条纹是由满足下式的入射光的反射造成的 式中k为整数，称作干涉亮条纹的级次。可见，当d一定时,中心处干涉环的级次量高。愈向边缘，级次愈低,而当i不变，即只观察视场中的某一固定点时,此处干涉环的级次随d的增大而增高，而且d每增大时，有一个干涉环移过此点向外扩展。因此在d不断增大时,可观察到干涉条纹不断从中心冒出并移向边缘，而且视场中的条纹变得密集。反之，当d减小时,条纹则移向中心并在中心消失，视场中的条纹变得稀疏。当d=0时,则观察到一均匀的视场，其亮度决定于φ的数值。 当M2与M1不完全垂直时，M2与M1构成一楔形空气层。若d足够小，则近似地得等厚干涉条纹,这时干涉条纹定位在空气层上,其形状为明暗相间的直条纹（图3）。干涉条纹随d的变化如图4所示，其中两边d较大，中间为零。 迈克耳孙干涉仪 迈克耳孙干涉仪 经M1反射的光三次穿过分光板，而经M2反射的光只通过分光板一次。补偿板就是为消除这种不对称性而设置的。在干涉仪用单色光照明时，补偿板并非必要，分光板所增加的光程可以用空气中的光程补偿。但在用多色光作光源时，因为玻璃和空气的色散不同，补偿板则不可缺少。 欲要观察白光的干涉条纹，两相干光的光程差要非常小，亦即M1和M2要非常接近，此时看到的是彩色条纹。如果将M2稍作倾斜,使和M1相交,则得以交线处(d=0)的干涉条纹为中心的对称彩色直条纹，中央条纹不带彩色，其亮度视半反射膜的情况而变，常为暗条纹（见白光条纹）。 § 配置 在一台标准的迈克耳孙干涉仪中从光源到光检测器之间存在有两条光路：一束光被光学分束器（例如一面半透半反镜）反射后入射到上方的平面镜后反射回分束器，之后透射过分束器被光检测器接收；另一束光透射过分束器后入射到右侧的平面镜，之后反射回分束器后再次被反射到光检测器上。注意到两束光在干涉过程中穿过分束器的次数是不同的，从右侧平面镜反射的那束光只穿过一次分束器，而从上方平面镜反射的那束光要经过三次，这会导致两者光程差的变化。对于单色光的干涉而言这无所谓，因为这种差异可以通过调节干涉臂长度来补偿；但对于复色光而言由于在介质中不同色光存在色散，这往往需要在右侧平面镜的路径上加一块和分束器同样材料和厚度的补偿板，从而能够消除由这个因素导致的光程差。 在干涉过程中，如果两束光的光程差是光波长的整数倍（0，1，2……），在光检测器上得到的是相长的干涉信号；如果光程差是半波长的奇数倍（0.5，1.5，2.5……），在光检测器上得到的是相消的干涉信号。当两面平面镜严格垂直时为等倾干涉，其干涉光可以在屏幕上接收为圆环形的等倾条纹；而当两面平面镜不严格垂直时是等厚干涉，可以得到以等厚交线为中心对称的直等厚条纹。在光波的干涉中能量被重新分布，相消干涉位置的光能量被转移到相长干涉的位置，而总能量总保持守恒。 § 应用 19世纪末人们通过使用气体放电管、滤色镜、狭缝或针孔成功得到了迈克耳孙干涉仪的干涉条纹，而在一个版本的迈克耳孙-莫雷实验中采用的光源是星光。星光不具有时间相干性，但由于其从同一个点光源发出而具有足够好的空间相干性，从而可以作为迈克耳孙干涉仪的有效光源。 一架光学台上的迈克耳孙干涉仪 迈克耳孙干涉仪的最著名应用即是它在迈克耳孙-莫雷实验中对以太风观测中所得到的零结果，这朵十九世纪末经典物理学天空中的乌云为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。除此之外，由于激光干涉仪能够非常精确地测量干涉中的光程差，在当今的引力波探测中迈克耳孙干涉仪以及其他种类的干涉仪都得到了相当广泛的应用。激光干涉引力波天文台（LIGO）等诸多地面激光干涉引力波探测器的基本原理就是通过迈克耳孙干涉仪来测量由引力波引起的激光的光程变化，而在计划中的激光干涉空间天线（LISA）中，应用迈克耳孙干涉仪原理的基本构想也已经被提出。迈克耳孙干涉仪还被应用于寻找太阳系外行星的探测中，虽然在这种探测中马赫-曾特干涉仪的应用更加广泛。迈克耳孙干涉仪还在延迟干涉仪，即光学差分相移键控解调器（Optical DPSK）的制造中有所应用，这种解调器可以在波分复用网络中将相位调制转换成振幅调制。 § 非线性迈克耳孙干涉仪 在所谓非线性迈克耳孙干涉仪中，标准的迈克耳孙干涉仪的其中一条干涉臂上的平面镜被替换为一个Gires-Tournois干涉仪或Gires-Tournois标准具，从Gires-Tournois标准具出射的光场和另一条干涉臂上的反射光场发生干涉。由于Gires-Tournois标准具导致的相位变化和光波长有关，并且具有阶跃的响应，非线性迈克耳孙干涉仪有很多特殊的应用，例如光纤通信中的光学梳状滤波器。另外，迈克耳孙干涉仪的两条干涉臂上的平面镜都可以被替换为Gires-Tournois标准具，此时的非线性迈克耳孙干涉仪会产生更强的非线性效应，并可以用来制造反对称的光学梳状滤波器。 |
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